GPS原理及其应用(武汉大学) 第一章
武汉大学《GPS测量原理与应用》001
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS的发展简史——全面研制和试验阶段 • 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验 卫星，研制了各种用途接收机。实验表明， GPS定位精度远远超过设计标准。
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
大地测量多普勒接收 机-1 （MX1502）
– 地面控制部分
• 包括：跟踪站、计算中心、注入站、 控制中心和海军天文台
大地测量多普勒接收 机-2 （CMA751）
– 用户部分
• 多普勒接收机
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
GPS概述①
• 建立国家
– 美国
• 目的
– 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导 航定位及授时服务
• 开始筹建时间
– 1973年
• 完全建成时间
– 1995年
GPS原理及其应用
绪论绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述②
GPS概述②
• 系统构成
– 空间部分、地面控制部分、用户部分
GPS原理及其应用
(一)
武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
第一章 绪 论
§1.1 全球定位系统的产生、发展及前景 §1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
§1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 什么是全球定位系统
GPS测量原理及应用 复习资料
《GPS测量原理及应用》武大第三版,复习资料第一章绪论1. GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。
2 .GPS卫星星座部分：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。
在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
3. GPS卫星的作用：第一，用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号。
第二，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。
第三，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
4. 地面监控系统：1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）5. GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
6. GPS系统的特点：定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多，应用广。
7. GPS系统的应用前景:①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘③用于监测地球板块运动状态和地壳形变④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置.8. 我国的GPS定位技术的应用和发展情况：在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面；在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程；在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；此外，GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。
武大《GPS测量原理与应用》知识点总结
武大《GPS测量原理与应用》知识点总结第一篇：武大《GPS测量原理与应用》知识点总结武大《GPS测量原理与应用》知识点总结1、GPS的基本知识NAVSTARGPS“Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System”卫星测时测距导航/全球定位系统.以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。
2、GPS星座的基本参数24颗卫星分布在六个等间隔的轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为55度，每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，3、子午导航系统的缺陷（1）卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务；（2）导航定位精度低（3）卫星轨道低，难以进行精密定轨（4）卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响；（5）观测时间长，效率低4、北斗系统的组成：“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。
5、北斗系统定位原理：空间球面交会测量原理(1)地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。
地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球,两个定位球又和地面交出两个定位圆。
(2)根据地面中心站的数字地图算出用户到地心的距离，然后利用以地心为中心的圆球与交线圆形成两个交点，再进行判断。
4、北斗导航定位系统的优缺点优点:如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。
不足和差距:如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。
5、北斗系统三大功能快速定位、短报文通信、精密授时6、GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动
（短周期，快变化）
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
GPS原理及其应用
P24
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
GPS原理及其应用
(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > Galileo
其它卫星导航定位系统——Galileo
• 伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统
– 2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫 星导航定位系统—— Galileo系统。
– Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫 星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面 上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHzຫໍສະໝຸດ GPS原理及其应用绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
北斗1代卫星导航系统组成图
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > 北斗卫星导航系统
其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统
用户终端分为
➢定位通信终端 ➢集团用户管理 站终端 ➢差分终端 ➢校时终端等
车载型用户机 便携型用户机
通讯型用户机 船载型用户机
指挥型用户机
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > 北斗卫星导航系统
其它卫星导航定位系统——Galileo
GIOVE A
the GIOVE Satellite
• GIOVE的主要目标:
– 频率信号测试； – 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； – 轨道环境特征测试； – 并行2或3通道信号传输测试。
GPS原理及其应用
主讲：李征航
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
1 ©2010
全球定位系统的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
2 ©2010
GPS在测量领域的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
3 ©2010
GPS在大地测量与地球动力学中的应用
• 建立和维持国际地球参考框架、测定地球 自转参数 • 建立和维持区域性的动态参考框架 • 大地定位
4
GPS在工程测量中的应用
• 布设各种类型的工程测量控制网 • 变形监测 • 一般的工程测量
5
GPS在航测和遥感中的应用
• 布设测区内的大地控制点 • GPS辅助空中三角测量 • 遥感卫星定轨
6
GPS在军事中的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
7 ©2010
• 军事需求是推动科学技术发展的一种原动 力。卫星导航系统最初就是为了满足军事 用途而研制的，GPS几乎可以被所有军事 部门所使用。
12
GPS在其他领域中的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
13 ©2010
• 在精细农业和林业种的应用 • 在资源调查、环境监测中的应用 • 在移动位置服务通运输业中的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
9 ©2010
• GPS在航空领域中的应用 • GPS在车辆导航和管理方面的应用 • GPS在水上运输中的应用
10
GPS在大气科学中的应用
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
11 ©2010
• GPS气象学 • 测定电离层延迟，建立电离层延迟模型
第一章GPS原理及其应用
第⼀章GPS原理及其应⽤GPS原理及其应⽤GPS全球定位系统（Global Positioning System）是随着现代科学技术的迅速发展⽽建⽴起来的新⼀代精密卫星导航定位系统。
GPS与GIS的关系对于GIS来说，GPS提供了⼀种极为重要的实时、动态、精确获取空间数据的⽅法，是GIS的重要数据源，GPS⼤⼤地拓展了GIS的应⽤领域和应⽤⽅式。
⽽对于GPS来说，GIS是⼀种重要的空间数据处理、集成和应⽤⼯具。
⼆者紧密联系，共同开创和深化更多领域的空间应⽤第⼀章绪论§1.1 GPS 卫星定位技术的发展§1.2 GPS 系统组成§1.3 GPS 在国民经济建设中的应⽤§1.1 GPS 卫星定位技术的发展1.1.1早期的卫星定位技术（初级阶段）卫星定位技术是利⽤⼈造地球卫星进⾏点位测量的技术。
卫星三⾓测量：⼈造地球卫星仅仅作为⼀种空间观测⽬标，由地⾯观测站对它进⾏摄影观测，测定测站⾄卫星的⽅向。
卫星测距⽹：⽤激光技术对卫星进⾏距离观测，测定测站⾄卫星的距离。
应⽤：1966－1972年，美国国家⼤地测量局在英国和德国测绘部门的协助下，⽤卫星三⾓测量的⽅法测设了⼀个具有45个测站点的全球三⾓⽹，点位精度5m。
⽤途：采⽤这两种⽅法，均可以实现⼤陆与海岛的联测定位，解决了常规⼤地测量难以实现的远距离联测定位问题。
缺点：受卫星可见条件及天⽓的影响，费时费⼒，定位精度不⾼，并且不能测得点位的地⼼坐标。
1.1.2 ⼦午卫星导航系统的应⽤及其缺陷（⾼级阶段）1958年12⽉，美国海军和詹斯.霍普⾦斯⼤学应⽤物理实验室，为了给北极星核潜艇提供全球性导航，开始研制⼀种卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System NNSS）。
1964年系统建成并投⼊使⽤。
系统组成及其特征：系统由6颗⼯作卫星，卫星的轨道均经过地球的南北极上空，组成⼦午卫星星座，故称为⼦午（Transit）卫星系统。
GPS 第一章 绪论
参考文献:1、台军是否有能力反制“北斗”导航系统
2、北斗一号系统的工作原理
地球同步卫星与地球静止卫星
• 如果卫星运行周期与地球自转周期相等，则称 为地球同步卫星。如果轨道倾角再等于零，即 卫星位于赤道上空，且为圆轨道，则卫星相对 地球静止，称为地球静止卫星。由于地球同步 卫星大都采用i=0，因此一般将地球同步卫星 理解为地球静止卫星，不再区分。 • 从地球上看，地球同步卫星就象高悬在赤道上 空的不动的转播站，对广播通信特别有利。地 球自转周期为24小时56分4秒，由"环绕速度表" 查出地球同步卫星高度为35,786km。三个互成 120 角的地球同步卫星即可覆盖全球，实现全 球转播。
GPS原理及应用
参考书目
• 1、《卫星导航系统概论》边少锋等著，电子 工业出版社。 • 2、《 GPS测量操作与数据处理》魏二虎等著， 武汉大学出版社。 • 3、《GPS卫星测量原理与其应用》 周忠谟等 编著 ， 测绘出版社。 • 4、《GPS原理及应用》李天文编著，科学出版 社。 • 5、《 GPS 定位技术及其应用》李明峰等编著， 国防工业出版社。
现代生活离不开 以为卫星为代表 的太空技术
（二）GPS的特点
1、服务空间范围广
GPS卫星覆盖全球范围，能够满足陆地、海洋、航空 航天用户的需要。
2、功能多、精度高
能够为用户提供动态目标的三维位置、三维速度和时 间信息，绝对定位能达到米级，相对定位达到厘米级 的精度。
3、全天候性
GPS测量可以不受天气和昼夜变化的影响，优越于传 统的测量方式
GPS、GLONASS和伽利略系统比较
卫星系统 GPS GLONASS 伽利略系统
卫星数
轨道面数 轨道倾角 平均高度（km） 周期（h/m） 卫星射电频率L1 卫星射电频率L2
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子午卫星
子午卫星星座
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
• 系统组成
– 空间部分
• 卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星历） • 卫星星座 – 由6颗卫星构成，6轨道面， 轨道高度1075km
车辆导航管理
对航空器的定位及导航
车辆导航
配备 GPS 的巡警
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 建立和维持全球性的参考框架
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 板块运动和监测
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动 （短周期，快变化）
• AS技术（1994.1.31~至今）
– Anti-Spoofing –反电子欺骗 – P码加密，P+WY
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
GPS现代化
• 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将 斥资40亿美元，进行GPS现代化。 • GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化 战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的 领导地位。
GPS在测量中的应用
• 建立各级国家平面控制网
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各 种工程测量
Modem 定向天线 全向天线 基准站1 市话网 基准站3 市话网
用户
基准站2 用户
市话网 基准站4 市话网
FM电台 监控分析中心 卫星定位信号 发射台 进入移动电 话系统 市 电 信 局 基准站5 市话网
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 什么是全球定位系统
什么是GPS？
• GPS的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。
其意为“导航星测时与测距全球 定位系统”，或简称全球定位系 统。
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
GPS现代化
• GPS现代化第一阶段
– 发射12颗改进型的BLOCK ⅡR型卫星。
• GPS现代化第二阶段
– 发射6颗GPS BLOCK ⅡF （“ⅡFLite”）。
• GPS现代化计划的第三阶段
– 发射GPS BLOCK Ⅲ 型卫星，在2003年前完成 代号为GPS Ⅲ的 GPS完全现代化计划设计工作。
55°
20180km 12h CDMA 1575MHz
L2频率
1246~1256MHz 频道间隔0.4375MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 – 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。 – 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
• 系统简介
– NNSS – Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由 于其卫星轨道为极地轨道，故也称 为Transit（子午卫星系统） – 采用利用多普勒效应进行导航定位， 也被称为多普勒定位系统 – 美国研制、建立 – 1964年1月建成 – 1967年7月解密供民用
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的面研制和试验阶段 • 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验 卫星，研制了各种用途接收机。实验表明， GPS定位精度远远超过设计标准。
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
• 应用领域
– 海上船舶的定位 – 大地测量
• 精度
– 单点定位：15次合格卫星通 过（两次通过之间的时间间 隔为0.8h ~ 1.6h），精度约为 10m – 联测定位： 各站共同观测17 次合格卫星通过，精度约为 0.5m
多普勒单点定位
多普勒联测定位
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
§1.3 美国政府的GPS政策
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SPS与PPS
– SPS – 标准定位服务
• • • • 使用C/A码，民用 2DRMS水平=100 m 2DRMS垂直=150-170 m 2DRMS时间=340 ns
– PPS – 精密定位服务
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
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绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
P24
其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
大地测量多普勒接收 机-1 （MX1502）
– 地面控制部分
• 包括：跟踪站、计算中心、注入站、 控制中心和海军天文台
– 用户部分
大地测量多普勒接收 机-2 （CMA751）
• 多普勒接收机
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
第一章 绪 论
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 全球定位系统的产生、发展及前景 GPS在各个领域中的应用 美国政府的GPS政策 其它卫星导航定位系统
GPS原理及其应用
§1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
GPS原理及其应用
深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的 应用
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在其他领域中的应用
• • • • • • 精细农业 遥感 卫星定轨 资源勘探 个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、 时间传递 • ….
• • • • 可使用P码，军用 2DRMS水平=22 m 2DRMS垂直=27.7 m 2DRMS时间=200 ns
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述①
GPS概述①
• 建立国家
– 美国
• 目的
– 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导 航定位及授时服务
• 开始筹建时间
– 1973年
• 完全建成时间
– 1995年
GPS原理及其应用
绪论绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述②
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS的发展简史——方案论证阶段
• 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。 • 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成 功。 • 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。 研制了地面接收机及建立地面跟踪网。
常规（地面）定位方法
• 近、现代的常规定位方法
– 采用的仪器设备
• • • • 尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪
– 观测值
• 角度或方向观测 • 距离观测 • 天文观测方法
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法的局限性
GPS概述②
• 系统构成
– 空间部分、地面控制部分、用户部分
• 服务方式
– 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务
• 定位原理
– 距离交会
• 测距原理
– 被动式电磁波测距
• 特点
– 全球覆盖、全天候、不间断、精度高
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法